RU2258228C1 - Yalovegy frequency tachometer - Google Patents
Yalovegy frequency tachometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2258228C1 RU2258228C1 RU2004110685/28A RU2004110685A RU2258228C1 RU 2258228 C1 RU2258228 C1 RU 2258228C1 RU 2004110685/28 A RU2004110685/28 A RU 2004110685/28A RU 2004110685 A RU2004110685 A RU 2004110685A RU 2258228 C1 RU2258228 C1 RU 2258228C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- poles
- magnet
- tachometer
- magnetic
- magnetic circuit
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения и измерительной техники и может найти применение в различных областях промышленности в качестве датчика обратной связи автоматизированных и неавтоматизированных систем.The invention relates to the field of instrumentation and measuring equipment and may find application in various industries as a feedback sensor of automated and non-automated systems.
К приборам, предназначенным для измерения частоты вращения валов различных двигателей малой, средней или большой мощности, а также различного рода механизмов и машин, где требуется точное измерение частоты вращения, - к индукционным тахометрам.To devices designed to measure the shaft speed of various engines of small, medium or high power, as well as various kinds of mechanisms and machines where accurate measurement of the speed is required, to induction tachometers.
При измерении частоты вращения валов некоторых объектов к измерительным приборам предъявляются жесткие требования в отношении минимального тормозного воздействия со стороны прибора на измеряемый объект, минимальных веса и габаритов, величины и формы выходного сигнала.When measuring the shaft speed of some objects, strict requirements are imposed on measuring instruments with respect to the minimum braking effect of the device on the measured object, the minimum weight and dimensions, the size and shape of the output signal.
Предлагаемый тахометр частотный может использоваться автономно будучи дистанционно соединенным с измерителем частоты. Малогабаритный прибор относится к датчикам генераторного типа, имеет высокий уровень сигнала на выходе, прост по конструкции, позволяет производить измерения при значительных окружных скоростях ротора, оказывает малое тормозное воздействие на измеряемый объект, имеет высокую чувствительность и разрешающую способность.The proposed frequency tachometer can be used autonomously being remotely connected to a frequency meter. The small-sized device belongs to the generator type sensors, has a high output signal level, is simple in design, allows measurements at significant peripheral rotor speeds, has a small braking effect on the measured object, has high sensitivity and resolution.
Известен бесконтактный оптический частотный тахометр, содержащий диск с отверстиями или прорезями, пересекающими луч света, направляемый на фотодиод. Пропорционально частоте вращения контролируемого вала оптическим датчиком формируются электрические импульсы, преобразующиеся измерителем частоты в цифровой сигнал.Known non-contact optical frequency tachometer containing a disk with holes or slots that intersect a beam of light directed to the photodiode. Proportional to the rotational speed of the monitored shaft, an optical sensor generates electrical pulses that are converted by a frequency meter into a digital signal.
Однако оптические или светооптические приборы требуют дополнительный источник питания света, имеют большие габариты для диска с отверстиями, потому что у них ограниченная полоса пропускания частот.However, optical or light-optical devices require an additional light source, they are large in size for a disk with holes, because they have a limited frequency bandwidth.
Известен магнитоиндукционный датчик частоты вращения, например патент РФ №2097769, кл. G 01 Р 3/48 от 27.11.97 г. Сущность патента: разомкнутая стержневая магнитная система датчиков выполнена с немагнитной вставкой между торцами полюса и сердечником обмотки, в немагнитном корпусе размещена магнитная система, состоящая из магнита, немагнитной вставки и ферромагнитного сердечника с сигнальной обмоткой на нем.Known magnetic induction speed sensor, for example, RF patent No. 2097769, class. G 01
Индуктором-модулятором (возбудителем) системы является зубчатое магнитное колесо, размещенное на валу, связанное с валом контролируемого объекта. Зубец колеса, проходя близко к торцу магнитной системы, возбуждает поток и благодаря вставке изменяет потокосцепление витков на обмотке стержня, что служит сигналом в виде импульса, регистрируемого на вторичном приборе, например частотомере. Импульс служит пороговым значением измеряемой величины.The inductor-modulator (pathogen) of the system is a gear magnetic wheel, placed on the shaft, connected with the shaft of the controlled object. A tooth of the wheel, passing close to the end of the magnetic system, excites the flow and, thanks to the insert, changes the flux linkage of the turns on the rod winding, which serves as a signal in the form of a pulse recorded on a secondary device, such as a frequency meter. The pulse serves as a threshold value of the measured value.
Недостатком данного технического решения является то, что, во-первых, между постоянным магнитом и зубчатым ферромагнитным сердечником обмотки существует взаимная связь, а немагнитная вставка не защищает постоянный магнит от размагничивания при каждом прохождении зубца, имеется в виду неупругое размагничивание, что приводит к быстрому выходу из строя прибора: амплитуда сигнала непрерывно изменяется по величине с прохождением каждого зубца.The disadvantage of this technical solution is that, firstly, between the permanent magnet and the toothed ferromagnetic core of the winding there is a mutual connection, and the non-magnetic insert does not protect the permanent magnet from demagnetization with each passage of the tooth, meaning inelastic demagnetization, which leads to a quick exit device failure: the signal amplitude continuously changes in magnitude with the passage of each tooth.
Кроме того, сложная конструкция и нетехнологичность данного технического решения является серьезным препятствием для внедрения в промышленность.In addition, the complex design and low tech of this technical solution is a serious obstacle to implementation in the industry.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является автомобильный датчик скорости: патент Японии №3142990 В2, кл. G 01 P 3/487 от 17.06.1993 г. Автомобильный датчик скорости состоит: из зубчатого колеса, надетого на вал, который вращается вместе с колесом контролируемого объекта, тахометра, с магнитным П-образным сердечником с обмотками возбуждения и собственно датчика.Closest to the claimed technical solution is an automobile speed sensor: Japanese patent No. 3142990 B2, class. G 01
Обмотки датчика соединены между собою дифференциально. Сигнал измеряется частотомером. Амплитуда импульсного сигнала в данном устройстве может быть постоянной при подключении обмоток датчика к стабилизирующему источнику питания.The sensor windings are interconnected differentially. The signal is measured by a frequency meter. The amplitude of the pulse signal in this device may be constant when connecting the sensor windings to a stabilizing power source.
Датчик не размагничивается, как в предыдущем случае.The sensor does not demagnetize, as in the previous case.
Однако конструкция получается громоздкой, а полезный сигнал слабый, потому что кривая намагничивания электротехнической стали должна быть использована только на линейном участке.However, the design is cumbersome, and the useful signal is weak, because the magnetization curve of electrical steel should be used only on a linear section.
Устройство сложное, громоздкое, дорогостоящее и не технологичное в изготовлении, требует дополнительный источник питания для датчика.The device is complex, bulky, expensive and not technologically advanced to manufacture, requires an additional power source for the sensor.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания тахометра частотного, имеющего малые габариты и вес, имеющего высокую надежность и помехоустойчивость.The basis of the invention is the creation of a frequency tachometer, having small dimensions and weight, having high reliability and noise immunity.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом тахометре частотном источником возбуждения ЭДС является постоянный магнит С-образной формы. Площадь поперечного сечения полюсов меньше площади поперечного сечения средней его части, напротив полюсов магнита размещены полюса магнитопровода, замыкающего магнитный поток, и между ними, перпендикулярно магнитному потоку, установлен немагнитный токопроводящий плоский диск, зубцы которого перекрывают, по крайней мере, один из полюсов магнита, при этом площадь зубца диска не менее чем на 15% больше площади полюса магнита, а величина воздушного зазора между полюсами магнита и магнитопровода не превышает минимальной величины линейного размера полюса магнита, полюса магнитопровода содержат дополнительные обмотки, а сам магнитопровод выполнен в виде крышки, которая снабжена опорными наружными торцевыми поверхностями для крепления тахометра к объекту измерения.The problem is achieved due to the fact that in the proposed tachometer, the frequency source of excitation of the EMF is a permanent magnet with a C-shape. The cross-sectional area of the poles is smaller than the cross-sectional area of its middle part, opposite the magnet poles are the poles of the magnetic circuit that closes the magnetic flux, and between them, perpendicular to the magnetic flux, a non-magnetic conductive flat disk is installed, the teeth of which overlap at least one of the poles of the magnet, the area of the tooth of the disk is not less than 15% larger than the area of the pole of the magnet, and the air gap between the poles of the magnet and the magnetic circuit does not exceed the minimum linear the size of the magnet pole, the pole of the magnetic circuit contain additional windings, and the magnetic circuit itself is made in the form of a cover, which is equipped with supporting outer end surfaces for mounting the tachometer to the measurement object.
Конструктивное исполнение предлагаемого тахометра позволяет: исключить из состава тахометра источник питания, использовать плоский безинерционный индуктор-модулятор, который выполнен в виде медного или алюминиевого диска с зубцами, размещенного в малом немагнитном зазоре, минимизированном за счет конструктивного выполнения магнитопровода, замыкающего магнитные силовые линии. Силовые линии замыкаются по пассивному или активному (содержащему обмотки) магнитопроводу, позволяя использовать жесткую (нераспухшую) часть магнитного потока, повышая эффективность прибора и формируя благоприятную форму импульса.The design of the proposed tachometer allows you to: exclude the power source from the tachometer, use a flat non-inertial inductor-modulator, which is made in the form of a copper or aluminum disk with teeth, located in a small non-magnetic gap, minimized due to the design of the magnetic circuit that closes the magnetic field lines. The lines of force are closed by a passive or active (containing windings) magnetic circuit, allowing you to use the hard (non-swollen) part of the magnetic flux, increasing the efficiency of the device and forming a favorable pulse shape.
Данное изобретение позволяет измерять частоту вращения вала контролируемого объекта с минимальным тормозным воздействием со стороны тахометра на измеряемый объект при малых габаритах, весе, без стороннего источника питания при длительном сроке службы прибора и его высокой надежности.This invention allows to measure the rotational speed of the shaft of a controlled object with minimal braking effect from the tachometer on the measured object with small dimensions, weight, without an external power source with a long service life of the device and its high reliability.
На чертежах дана схема выполнения тахометра частотного:The drawings give a diagram of the implementation of the frequency tachometer:
на фиг.1 дан общий вид в разрезе;figure 1 is a General view in section;
на фиг.2 изображен диск с зубцами индуктора-модулятора;figure 2 shows a disk with teeth of the inductor-modulator;
на фиг.3 - вид в разрезе магнитопровода с дополнительными обмотками;figure 3 is a view in section of a magnetic circuit with additional windings;
на фиг.4 - график зависимости ЭДС (е, Вольт) тахометра от числа оборотов индуктора-модулятора (n, об/мин) и частотная характеристика тахометра (f, Герц от n, об/мин). Расчетная характеристика 1 показывает зависимость ЭДС тахометра от числа оборотов индуктора-модулятора. Для сравнения приведена кривая 2, полученная экспериментальным путем. Кривая 3 представляет частотную характеристику данного тахометра.figure 4 is a graph of the dependence of the EMF (e, Volt) of the tachometer on the number of revolutions of the inductor-modulator (n, rpm) and the frequency response of the tachometer (f, Hertz on n, rpm). The calculated
Тахометр частотный включает в себя постоянный магнит 1 С-образной формы, который закреплен жестко на корпусе 2 через регулировочную изолирующую прокладку 3 с помощью хомута 4 и винтов 5. Магнит 1 обращен своими полюсами 6 к магнитопроводу 7 с полюсами 8, которые образуют немагнитный зазор. Между полюсами 6 и 8 установлен немагнитный токопроводящий плоский диск 9, зубцы 10 которого перекрывают, по крайней мере, один из полюсов 6 магнита 1. Площадь зубца 10 диска 9 должна быть не менее чем на 15% больше площади полюса 6 магнита 1. Величина магнитного зазора не должна превышать минимальной величины линейного размера полюсов магнита 1. Например, при выполнении магнита 1 прямоугольной формы эта величина равна длине меньшей стороны прямоугольника. Диск 9 индуктора-модулятора установлен на валу 11, который свободно вращается в подшипниковом узле 12 и соединен через муфту с валом измеряемого объекта (на чертеже не указано). Магнитопровод 7 выполнен в виде крышки корпуса, которая снабжена опорными наружными торцевыми поверхностями 13, которыми тахометр крепится к объекту измерения.The frequency tachometer includes a
Работа тахометра частотного основана на принципе взаимодействия движущегося электропроводящего тела с неоднородным магнитным полем. В зубце 10 индуктора-модулятора - диска 9 при пересечении им зазора между полюсами 6 и 8 наводятся вихревые токи, пропорциональные линейной скорости движения и градиенту магнитного потенциала поля заданной напряженности.The operation of the frequency tachometer is based on the principle of interaction of a moving electrically conductive body with an inhomogeneous magnetic field. In the
Вторичное магнитное поле, соответствующее наведенным токам, воздействует на поле возбуждения, вызывая пульсации в магнитопроводе 7 и полюсах 6 магнита 1, которые воспринимаются включенными встречно измерительными обмотками, преобразующими эти пульсации в ЭДС сигнал.A secondary magnetic field corresponding to the induced currents acts on the field of excitation, causing ripples in the
Зубцы 10 диска 9 в поперечном сечении перекрывают полюса 6 С-образного магнита, как показано на фиг.2.The
Величина тока в зубце прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна омическому сопротивлению контура зубца: i=е/r, где i - величина тока в элементе; е=Blv - ЭДС в зубце; В - индукция в воздушном зазоре; v - линейная скорость зубца; l - характерный размер зубца по радиусу.The magnitude of the current in the tooth is directly proportional to the EMF and inversely proportional to the ohmic resistance of the tooth contour: i = е / r, where i is the magnitude of the current in the element; e = Blv - EMF in the tooth; B - induction in the air gap; v is the linear speed of the tooth; l is the characteristic size of the tooth along the radius.
Намагничивающая сила в зубце: F=iw=i, где w - число активных эквивалентных проводников в элементе.The magnetizing force in the tooth: F = iw = i, where w is the number of active equivalent conductors in the element.
Форма поля возбуждения под полюсами в плоскости движения индуктора модулятора с достаточной степенью точности может быть принята косинусоидальной, что достигается за счет выбора конфигурации магнита.The shape of the field of excitation under the poles in the plane of motion of the inductor of the modulator with a sufficient degree of accuracy can be assumed to be cosine, which is achieved by choosing the configuration of the magnet.
Магнитное поле наведенных токов также будет изменятся по закону косинуса при стационарной скорости индуктора модулятора и иметь противоположное полю возбуждения направление.The magnetic field of the induced currents will also change according to the law of cosine at a stationary speed of the modulator inductor and have a direction opposite to the excitation field.
Отсутствие реактивных составляющих сопротивления элемента зубца позволяет считать совпадающие по фазе наведенные токи и ЭДС.The absence of reactive components of the resistance of the tooth element allows the induced currents and emf to coincide in phase.
Приведенные формулы справедливы для случая однородного магнитного поля. При расчете тахометра частотного следует в правую часть вводить множитель cos α. ЭДС сигнала в измерительных обмотках изменяется по закону синуса:The above formulas are valid for the case of a uniform magnetic field. When calculating the frequency tachometer, the factor cos α should be entered on the right side. EMF signal in the measuring windings varies according to the law of sine:
где Ф - поток, соответствующий наведенным токам.where f is the flux corresponding to the induced currents.
Расчет производится по максимуму ЭДС сигнала, поэтому поток можно выразить как:The calculation is made according to the maximum emf of the signal, so the flow can be expressed as:
где lз - длина немагнитного (воздушного) зазора; lM - средняя длина магнитной силовой линии; μо - относительная магнитная проницаемость воздушного зазора; sЗ - средняя площадь поперечного сечения немагнитного зазора; sM - средняя площадь поперечного сечения магнитопровода.where l z - the length of the non-magnetic (air) gap; l M is the average length of the magnetic field line; μ about - the relative magnetic permeability of the air gap; s З - average cross-sectional area of a non-magnetic gap; s M is the average cross-sectional area of the magnetic circuit.
ЭДС в катушке индуктивности можно вычислить по формуле:EMF in the inductor can be calculated by the formula:
ek=4,44fФw, гдеe k = 4.44fФw, where
f - частота импульсов в потоке, определяемая по формуле:f is the pulse frequency in the stream, determined by the formula:
где z - число зубцов на диске ротора; n - угловая скорость ротора, об/мин.where z is the number of teeth on the rotor disk; n is the angular velocity of the rotor, rpm
Геометрический размер зубца 10 диска 9 индуктора-модулятора в плоскости вращения ограничен размером полюса 6 постоянного магнита. В противном случае форма сигнала будет отличаться от синусоиды.The geometric size of the
Толщина диска 9 индуктора-модулятора существенно не влияет на величину сигнала. При увеличении толщины диска с зубцами уменьшается сопротивление элемента зубца 10, но одновременно снижается напряженность поля возбуждения за счет увеличения немагнитного зазора. Экспериментально установлено, что площадь зубца 10 диска 9 индуктора-модулятора должна быть не менее чем на 15% больше площади полюса 6 магнита 1.The thickness of the
Повышение частоты на выходе прибора за счет увеличения числа зубцов на диске индуктора-модулятора сопряжено с увеличением числа пар полюсов системы возбуждения, поскольку каждой паре полюсов при заданном диаметре ротора соответствует строго определенное число зубцов.An increase in the frequency at the output of the device due to an increase in the number of teeth on the disk of the inductor-modulator is associated with an increase in the number of pairs of poles of the excitation system, since each pair of poles for a given rotor diameter corresponds to a strictly defined number of teeth.
Отклонение от номинального числа зубцов приведет к искажению формы кривой измерения во времени сигнала на выходе прибора.Deviation from the nominal number of teeth will lead to distortion of the shape of the measurement curve in time of the signal at the output of the device.
Измерение частоты переменного тока сигнала тахометра производится стандартными частотомерами, имеющими большое входное сопротивление, иначе магнитная система будет подмагничиваться токами сигнала.The frequency of the alternating current of the tachometer signal is measured by standard frequency meters having a large input impedance, otherwise the magnetic system will be magnetized by the signal currents.
Эксперименты с макетным образцом тахометра показали, что токи порядка 10-2 А не оказывают никакого влияния на характеристику прибора, а влиянием скин-эффекта можно пренебречь, если толщина ротора не превышает 5 мм, а значение окружной скорости не более 50 м/сек.Experiments with a prototype tachometer showed that currents of the order of 10 -2 A do not affect the performance of the device, and the skin effect can be neglected if the rotor thickness does not exceed 5 mm and the peripheral speed is not more than 50 m / s.
Экспериментальные исследования магнитного потока показали, что при зазоре до 5 мм рассеяние магнитного потока незначительное. Далее рассеяние начинает интенсивно расти. Поэтому, минимизируя потери магнитного потока, размер 5 мм при проектировании электромагнитных систем является пороговым. С другой стороны, минимизируя при проектировании габаритные размеры частотометра, как прибора в целом, толщина индуктора-модулятора реально лежит в пределах 1 - 2 мм. Немагнитный зазор на 0,3 - 0,5 мм больше. По конструктивным соображениям полюс С-образного магнита удобно применять в сечении прямоугольным с размером стороны: 4 - 5 мм.Experimental studies of magnetic flux showed that with a gap of up to 5 mm the scattering of the magnetic flux is negligible. Further, scattering begins to grow rapidly. Therefore, minimizing the loss of magnetic flux, the size of 5 mm when designing electromagnetic systems is a threshold. On the other hand, while minimizing the overall dimensions of the frequency meter as a whole, the thickness of the inductor-modulator actually lies in the range of 1–2 mm. Non-magnetic clearance 0.3 - 0.5 mm larger. For structural reasons, the pole of the C-shaped magnet is conveniently used in the cross section rectangular with side size: 4 - 5 mm.
Тормозной момент тахометра определяется, в основном, сопротивлением окружающей среды и трением в подшипниковом узле.The braking torque of the tachometer is determined mainly by environmental resistance and friction in the bearing assembly.
Описанный тахометр частотный может быть использован для измерения частоты вращения валов электродвигателей любого типа (асинхронных, постоянного тока и других), как микромощных, так и большой мощности, турбин, турбокомпрессоров, а также стендовых испытательных установок, где требуется измерение частоты вращения с высокой точностью и в широком диапазоне изменения частоты вращения.The described frequency tachometer can be used to measure the frequency of rotation of the shafts of electric motors of any type (asynchronous, direct current and others), both micropower and high power, turbines, turbochargers, as well as bench test installations where speed measurement with high accuracy and in a wide range of changes in speed.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004110685/28A RU2258228C1 (en) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | Yalovegy frequency tachometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004110685/28A RU2258228C1 (en) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | Yalovegy frequency tachometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2258228C1 true RU2258228C1 (en) | 2005-08-10 |
Family
ID=35845146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004110685/28A RU2258228C1 (en) | 2004-04-09 | 2004-04-09 | Yalovegy frequency tachometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2258228C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2455617C1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-07-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" | Apparatus for determining movement and/or position of object |
-
2004
- 2004-04-09 RU RU2004110685/28A patent/RU2258228C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2455617C1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-07-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Томская Электронная Компания" | Apparatus for determining movement and/or position of object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5508608A (en) | Magnetic flux device for measuring rotary motions and for generating an electric alternating signal representative of the rotary motions | |
| JP3352366B2 (en) | Pulse signal generator | |
| CN105634235A (en) | Shaft sleeve generator capable of simultaneously measuring rotating angular speed and angular acceleration | |
| Gong et al. | Experimental analysis and optimization of a contactless eddy-current-based speed sensor for smooth conductive surfaces | |
| JP2022016380A (en) | Encoder system for drive | |
| EP0080059B1 (en) | Eddy current responsive hall effect device tachometer | |
| RU2258228C1 (en) | Yalovegy frequency tachometer | |
| US7221150B2 (en) | Toothed shell on a variable reluctance speed sensor | |
| CN105467150A (en) | Portable power generator for measuring rotation angular velocity and angular acceleration simultaneously | |
| Mirzaei et al. | A novel structure of an eddy current sensor for speed measurement of rotating shafts | |
| JP4336070B2 (en) | Rotary position detector | |
| JP2015152473A (en) | Detector | |
| Mirzaei et al. | Speed measurement of rotating hollow shafts using an eddy current sensor | |
| Powell et al. | Optimisation of magnetic speed sensors | |
| Rickman | Eddy current turbocharger blade speed detection | |
| JP2771171B2 (en) | Torque meter | |
| CN204330808U (en) | A kind of measurement rotary acceleration sensors | |
| Bastawros | A simplified analysis for eddy-current speed transducer | |
| KR20010091643A (en) | Non-contact touque measurement system | |
| EP0391160A1 (en) | Variable reluctance sensor for detecting the rate of rotary or linear movement | |
| RU2122742C1 (en) | Magneto-inductive transmitter of rotational speed | |
| RU2623680C1 (en) | System of contactless rotational speed measurement | |
| KR910005479B1 (en) | Bearing abrasion testing device of electric motor | |
| CN115452221A (en) | Single-C-shaped/double-C-shaped focusing magnetic field excitation device applied to shafting torque measurement | |
| SU830161A2 (en) | Torque measuring device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080410 |